中空方孔结构立方碳化硅异质结热电器件：面向高温作业环境的自驱动呼吸监测新策略

《Small》：A Sensitive Thermoelectric Respiratory Sensor Using a Hollow-Square Structure of Cubic Silicon Carbide-Based Heterojunction

本文报道了一种基于中空方孔结构立方碳化硅/硅（3C-SiC/Si）异质结的自驱动热呼吸传感器，通过结构创新将热电压输出提升至传统实心结构的3.5倍，在1000次气流循环测试中保持稳定响应。该器件利用塞贝克效应（Seebeck effect）将呼吸气流温差转化为电信号，在高温环境下（如>343 K）呈现异质结主导的电压响应反转现象，为深井采矿、消防等极端场景提供了高灵敏度、耐腐蚀、生物相容的持续健康监测方案。

　　

1 引言

高温作业环境是户外劳动者热相关疾病的主要诱因，呼吸频率异常可作为早期健康风险指标。传统呼吸监测技术依赖金属/聚合物传感器或皮肤贴附电子设备，存在灵敏度低、耐久性差及功耗高等局限。本研究提出一种基于中空方孔结构的3C-SiC/Si异质结自驱动传感器，通过调控热传输路径与载流子输运，显著提升气流传感性能。

2 结果与讨论

2.1 热电器件结构设计

通过低压化学气相沉积（LPCVD）在硅衬底上外延生长100 nm厚氮掺杂3C-SiC薄膜，结合光刻与干湿法刻蚀工艺制备中空方孔结构（外缘10 mm，孔洞5 mm）。扫描电子显微镜（SEM）与能谱分析（EDS）证实异质结界面清晰，原子力显微镜（AFM）显示薄膜表面粗糙度仅1.49 nm，拉曼光谱在797 cm^?1（TO峰）和975 cm^?1（LO峰）处特征峰验证3C-SiC结晶质量。

2.2 热传感性能

在313 K热源温度下，中空结构器件的热电压变化（ΔV）达实心结构的3.5倍。随气流速度（0.3–3 m/s）或热源温度（303–343 K）升高，ΔV显著增长，最高达198 μV（对应温差≈3 K）。3C-SiC/Si的塞贝克系数为77–102 μV·K^?1，优于PEDOT:PSS/SF（23 μV·K^?1）等柔性材料。器件响应时间0.9 s，恢复时间1.4 s，支持最高60次/分钟呼吸频率检测，且在1000次循环及30–90%湿度下稳定性优异。

高温机制转变

当温度>343 K时，热电压符号反转，源于异质结中载流子输运主导机制由n型3C-SiC转向p型Si。平行导电模型表明，高温下硅导电性增强（α=σ_Si/σ_3C-SiC提升），导致异质结塞贝克系数（S_h）符号逆转。此现象为高温应用（如火灾预警）提供阈值响应特性。

2.3 呼吸监测演示

将传感器集成于口罩内，外侧暴露于高温环境（>309.5 K），内侧监测呼出气流。实验成功识别正常（0.23 Hz）、快速（0.58 Hz）及缓慢（0.18 Hz）呼吸模式，并构建报警系统（Arduino微控制器+LED/蜂鸣器），在呼吸频率>25次/分钟或屏息>10秒时触发警报。生物相容性测试显示3C-SiC对皮肤无刺激，适用于长期穿戴。

3 结论

中空方孔3C-SiC/Si传感器通过结构优化与异质结协同效应，实现了高灵敏度、自驱动的呼吸监测，为高温作业健康防护提供可靠工具。其高温特性反转机制为极端环境传感设计开辟新路径。

4 实验方法

器件采用LPCVD生长3C-SiC薄膜，结合ICP刻蚀与KOH湿法穿孔工艺制备。性能测试通过Linkam温控台与ElveFlow气流系统完成，电信号由Keithley 2450采集。人体实验遵循伦理审批（ETH2025-0427），受试者签署知情同意书。